對數放大器在弱光檢測中的應用

摘要：為提取弱光檢測電路中淹沒(méi)在噪聲中的信號，通常使用高精度放大器尤其是對數放大器來(lái)提高電路濾除噪聲的能力，其中以對數放大器LOGl00為前置放大電路的光電檢測電路效果最佳?；谶@種電路，提出一種低噪聲弱光電檢測電路設計方案，以電子元器件相關(guān)參數的選擇和依據，檢測LOGl00的輸出效果。測量結果表明，輸入光信號功率高于l nW，LOGl00噪聲濾除性能良好，而低于l nW時(shí)則輸出噪聲明顯增強，可能導致A／D轉換輸出錯誤，不利于后續數據處理。
關(guān)鍵詞：弱光；檢測；光電轉換；對數放大器；噪聲；LOGl00

弱光檢測通常是先將光信號通過(guò)光電器件轉換成電信號，再經(jīng)前置放大電路放大后，由A／D轉換電路將模擬信號轉換成數字信號進(jìn)行分析處理。弱光檢測技術(shù)廣泛應用于現代通信、醫療和科研等領(lǐng)域。弱光檢測電路一個(gè)重要性能指標是對噪聲的濾除能力，但在弱光檢測時(shí)，光信號與噪聲幾乎處于同一數量級，信號很容易淹沒(méi)在噪聲中，不利于后續電路處理。傳統方法是采用電路級聯(lián)來(lái)濾除干擾，放大信號；但這種電路需用精密電阻，且設計復雜，電路體積大，可靠性差。隨著(zhù)集成對數放大電路的發(fā)展，其寬動(dòng)態(tài)范圍、高精確輸出的顯著(zhù)特點(diǎn)，光檢測電路也得到不斷發(fā)展與完善，對數電路具有優(yōu)異的數據壓縮性能，可將很寬的輸入動(dòng)態(tài)范圍信號壓縮在很窄的電壓范圍內。因此，這里提出一種以L(fǎng)OGl00作為前置放大的弱光檢測電路設計方案。

1 電路設計與分析
1．1 光電轉換電路
圖1為光電檢測電路。該檢測電路是由放大器A，反饋電阻RF和CF組成，其輸出電壓為u1=SPRF，其中，S為光電二極管的靈敏度，P為入射光功率。在檢測弱光信號時(shí)，RF為提高增益，RF的取值應選擇盡可能大，放大器的輸入偏置電流IB和輸入失調電壓VB對輸出電壓的影響分別為IBRF和，Rs為光電二極管內阻?？梢钥闯?，減小RF可以減少以上影響，但同時(shí)會(huì )減小電路的增益。解決這個(gè)問(wèn)題需選擇偏置電流和失調電壓均很低的運算放大器。這里選用0PAlll型高精度運算放大器，其偏置電流約為0．8 pA，輸入失調電壓約100μV。經(jīng)過(guò)計算，RF的值取在幾百MΩ范圍內時(shí)，上述影響可以近似忽略，能夠滿(mǎn)足電路的要求。

1．2 前置放大電路
由于光電轉換電路的輸出信號通常在mV數量級，且信號常常淹沒(méi)在噪聲中，因此前置放大部分需有較強的濾噪和放大能力。選用精密對數放大電路LOGl00與外圍元件構成前置放大電路。圖l虛線(xiàn)框內所示電路為L(cháng)OGl00的簡(jiǎn)化內部電路，其動(dòng)態(tài)輸人范圍1 nA～1 mA，滿(mǎn)跨度輸出誤差(FSO)低于0．37％，與精確對數關(guān)系最大偏離小于O．1％。同時(shí)，內部還集成有激光校準電阻，使得該對數放大器在環(huán)境溫度變化時(shí)仍能保持精確輸出。LOGl00有4個(gè)選擇端，通過(guò)不同的連接方式，可以很方便得到不同增益，詳見(jiàn)文獻。
由文獻可知LOGl00的輸入輸出關(guān)系為：

2 結果分析
在弱光測試實(shí)驗中，光電二極管使用S1227-66B型PIN硅光電二極管，該器件靈敏度高，暗電流小。為了減小干擾，實(shí)驗時(shí)電路封裝在金屬盒內，采用±lO V直流穩壓電源供電，電源線(xiàn)與信號線(xiàn)均使用屏蔽電纜。光源為振蕩器555組成的振蕩電路控制的普通紅色發(fā)光二極管輸m的周期性光脈沖信號，周期T=105 ms。使用數字示波器觀(guān)察并記錄光電轉換電路的輸出和前置放大電路的輸出信號。